（等离子体物理专业论文）线管放电系统中颗粒物运动状态分析.pdf

摘要 摘要 随着人类社会的发展与进步，人们对生存环境的要求越来越高。然而在现代以煤为 主要能源的大工业生产过程中，会产生大量的烟尘。就目前来说，电除尘器是大气粉尘 污染控制的主要技术手段和设备，其基础理论和实际应用技术都已经发展的相当成熟， 然而电除尘器对于p m ：。的收集效果并不理想，所以，这也成为现在除尘工业的重点和难 点课题。本文讨论了电除尘器的工作原理以及电除尘器工作过程中对其除尘效率产生影 响的各种因素。利用线管放电系统在实验室条件下模拟除尘器的实际工作情况，分区间 对煤粉尘样品进行收集；利用激光粒度分布仪对所收集的样品进行测量，并对测量结果 进行理论分析。本文主要工作如下： 1 分析了总粒径区间的粉尘粒子在线管放电系统中的运动情况，讨论了不同电压不 同区间及同一区间不同电压情况下的粉尘粒径分布情况。结果表明，不同电压、不同收 集区间对不同粒径的粉尘粒子都具有选择性。电压较低时，小粒径粒子收集优先级比大 粒径粒子要高；电压较高时，情况正好相反。 2 重点分析了p m 。在放电系统中的运动情况及其在收尘极的粒径分布情况。结果表 明，由于p m ：。是处于紊流状态的气溶胶流体中，其运动轨迹是无规律可循的。此外，微 细粉尘的荷电和运动很容易受离子风及其它因素的影响。同时，通过分析可知，较高电 压有利于微细粉尘的凝聚，从而提高收集效果。 关键词电除尘器p m 2 5 离子风凝聚粒径分布 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t y , i ti st h eh i g h e rr e q u i r e m e n to ft h el i v i n g e n v i r o n m e n t h o w e v e r , al a r g ea m o u n to fd u s ta n ds m o k eb ep r o d u c e di nm o d e r ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o np r o c e s s e sb e c a u s eo fc o a la st h em a i ne n e r g y r i g h tn o w , t h ee s pi st h em a i n t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tf o rd u s tp o l l u t i o nc o n t r o l ，i t sb a s i ct h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n o ft e c h n o l o g yh a sq u i t ep e r f e c t ，b u te s pf o rt h ec o l l e c t i o no fp m 2 5h a sn o ty e ti d e a l ，t h e r e f o r e ， t h i sp r o b l e mh a sb e c o m eak e ya n dd i f f i c u l ti s s u e t h ep a p e rd i s c u s s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e o fe s ea sw e l la st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y u s i n gt h er a y - t u b ed i s c h a r g e s y s t e mi nt h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o no ft h ea c t u a lw o r ko fe s p , t h e nc o l l e c tt h ed u s to f d i f f e r e n tc o l l e c t i o ni n t e r v a l ；f u r t h e r m o r e ，t h ec o l l e c t i o nd u s tb em e a s u r e db yl a s e rp a r t i c l e s i z ea n a l y z e ra n dt h em e a s u r i n gr e s u l t st ob ea n a l y z e d m a i nr e s u l t sa sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i st h em o v e m e n to ft h et o t a lp a r t i c l es i z ed u s ti nt h ed i s c h a r g es y s t e m ，a n d d i s c u s st h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fd u s ta b o u tt h ed i f f e r e n tv o l t a g ea n dd i f f e r e n ti n t e r v a l ， t h ed i f f e r e n tv o l t a g ea n ds a m ei n t e r v a l i tt u r no u tt h a tt h ed i f f e r e n tv o l t a g e ，d i f f e r e n t c o l l e c t i o ni n t e r v a lh a v et h es e l e c t i v i t yf o rt h ed u s to fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e a n dt h es m a l l p a r t i c l es i z ed u s tc o l l e c t e df i r s tw h e nt h ev o l t a g ei sl o w , t h eh i g hv o l t a g ea g a i n s t 2 e m p h a s i sa n a l y z et h em o v e m e n ta n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ni nt h ec o l l e c t i n gp o l eo f p m 2 5 ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o v e m e n to ff i n ed u s ti sd i s o r d e r l ya n du n s y s t e m a t i c i n a d d i t i o n ，t h ec h a r g i n ga n dm o v e m e n tc a nb ee a s i l yi n f l u e n c e db yi o nw i n da n do t h e rf a c t o r s s i m u l t a n e o u s l y , b ya n a l y z i n g ，t h el l i g hv o l t a g ei sg o o df o rt h ea g g l o m e r a t i o no ff i n ed u s t ， t h e r e b ye n h a n c i n gt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ec o l l e c t i o n k e y w o r d e s pp m 2 5i o nw i n d a g g l o m e r a t i o np a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n i i 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教 育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 作者签名：兰包i 家一日期：丑年l 月上日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方格内打“4 ) 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为绦弘嵴切黝份懈铆 的学位论文- ，是我个人在导师渤怎诲) 指导并与导师合作下取得的研究成果， 研究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费 资助下完成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定 的各项法律、行政法规以及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大 学的书面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内 容。如果违反本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：三立! ! ：经日期：丑年l 月上日 作者签名： ! 杰：! ：经 导师签名： 日期：2 1 翌2 年上月上日 日期：珥年上月上日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 1 1 1我国大气颗粒物污染现状分析n ，幻 大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现 出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现 象。空气中的颗粒状污染物主要来源为煤及其它燃料的不完全燃烧而排出的煤烟、工 业生产过程中产生的粉尘、建筑和交通扬尘、风的扬尘，以及气态污染物经过物理化 学反应形成的盐类颗粒物。大气中的颗粒物数量大、成分复杂，它本身可能是有毒物 质或是其它污染物的运载体，是对人体最有害的污染物。 我国是大气污染状况最严重的国家之一，主要因为我国是以燃煤为主的能源结构 的国家，2 0 0 6 年，全国环境统计的煤炭消费总量为2 5 0 亿吨，比上年增加l o 7 。工 业煤炭消费量2 3 0 亿吨，比上年增加1 2 5 。而且随着我国g d p 的快速增长，这一现状 在一定时期内将不会改变。由图( 1 1 ) 可以看出，虽然经过我国近年来环保工业的快 萎8 0 0 攥7 0 0 ：= 毒 弱 蛙6 0 0 5 柏o z u uiz u u zz u u jz u u 4z u u bz u u bz u u 年，殳年) 图1 1 近年我国工业粉尘排放量 速发展，工业粉尘的排放总量呈下降趋势，但其绝对数量还是相当大的，所以，对其 进一步的控制是必需的。 根据我国环境保护部发布的( ( 2 0 0 7 年全国城市环境管理与综合整治年度报告， 全国城市空气质量总体有所改善，但部分城市污染仍较严重。在监测的地级城市中， 河北人学理学硕十学何论文 空气质量达到国家一级标准的城市占2 4 ，二级标准的占5 8 1 ，三级标准的占 3 6 1 ，劣于三级标准的占3 4 。地级及地级以上城市中，颗粒物年均浓度达到或优于 二级标准的占7 2 0 ，劣于三级标准的占2 2 。 城市比例( 镶) 8 0 6 0 4 0 2 0 0；么圈誓圆鬈；秽一： 达钚三缴劣三级 图1 - - 22 0 0 7 年颗粒物浓度分级城市比例 1 1 2 可吸入粉尘颗粒物对人体危害分析 3 - 5 】 可吸入颗粒物( i n h a l e b l ep a r t i c l e s ；i p ) 是大气中可以通过鼻和嘴进入人体下呼吸 道的颗粒物的总称，通常用p m i o 表示( 指动力学直径 1 0 i t m 的颗粒物) 。比p m i o 更细 的是亚微米颗粒( 空气动力学直径 1 o 岬的颗粒) 和超微米颗粒( 1 0 9 m 空气动力学 直径 l o l a m 的颗粒) 。 在空气中，粒径小于l o l x m 的漂尘颗粒物能形成稳定的气溶胶，可在大气中长期存 在，易随人体呼吸和消化系统进入人体。其中以p m “( 动力学直径 2 5 岬的颗粒物) 危 害最大，其可以进入肺泡并沉积，进而进入血液循环系统转移到身体的其它部位。由 于此类微细颗粒物富集了重金属、酸性氧化物、有机污染物( 如多环芳烃、农药等) ，并 且是细菌、病毒和真菌的载体。大量研究发现，即使在低于空气质量标准的浓度下， p m l o 污染水平的提高亦与呼吸道症状的发生、肺功能减退、心肺系统疾病的超额发 病、死亡存在密切关联，这些效应尤其是在青少年、老年人及患有心肺疾病的易感人 群中更为明显。所以此类颗粒物的特性和收集是目前和将来在大气颗粒物污染控制研 究方面的重中之重。 1 1 3 课题研究的意义 可吸入颗粒物( 口) 不仅影响气候和空气质量、破坏生态环境，而且严重危害人体 2 第1 章绪论 健康，是大气颗粒物中危害最大的类。根据我国环保总局制定的环境空气质量监督 规范的有关规定，可吸入颗粒物( p m l o ) 被列为必测项目。以燃煤电厂为例，所排放 的粉尘颗粒物粒径小于lg m 的成分占到总重量的1 ，而粒子数浓度却占到了9 9 ，同 时，这类颗粒物富含有毒元素s e ，a s ，c d ，h g ，n i ，p b ，c r ，s r ，b e 和u 等【岳8 1 。所 以这类颗粒物对生态和人体的危害巨大。据报道，仅p m l o 就导致每年美国6 万人和英 国1 万人死亡【9 1 。 环境的可持续发展对人民生活水平的可持续提高、我国建设和谐社会是最基本的 保障，所以建设和发展高水平的环保工业是实现这一目标的重要条件。构成环保工业 重要组成部分的除尘设备的技术的发展和进步是发展环保事业的关键之一。 1 2 静电除尘研究的国内外现状 1 2 1 静电除尘研究国内现状 静电除尘器是大气粉尘污染控制的主要技术设备之一，随着国家对污染物排放的 要求越来越严格，如何有效的提高除尘器的收尘效率，尤其是微细颗粒的有效收集， 是当前国内研究的重点问题【l o 】。 提高微细颗粒的收集效率的主要途径是增大粉尘直径【l l 】。对于电除尘器来说，大 部分都是应用电凝并技术来提高对微细颗粒的收尘效果。王连泽【1 2 1 等人提出采取将含尘 气体并行分别通过正负放电电场，然后再合二为一，空间大尺度范围依靠湍流输运，近距离 依靠库仑力及范德瓦力的双极荷电凝聚方式，得出了双极荷电可使沉降收集效率提高 约1 0 的静电凝聚的效果。陈旺生【1 3 】等人提出了一种新型的电凝并除尘装置，即偶极 荷电静电凝并除尘器，偶极荷电静电凝并除尘器对中位径为3 4 9 8 9 m 的微细颗粒物的收 集效率比普通线板式静电除尘器提高5 左右。高正平【1 4 】等人分析静电除尘器预凝并粒 子的运动情况，研究了荷电气固两相流中粒子运动与气流运动的关系。建立了湍流中描 述粒子运动的基本方程b b o ( b a s s e t b o u s s i n e s q o s e e n ) 方程，用谱分解方法进行求解，并得 到荷电粒子凝并运动方程的两组近似解，从而确定了粒子运动与气流运动的关系。王启 民【1 5 】等人研究了外电场作用下r r 分布的荷电颗粒的凝聚。原乃武【1 6 】等人提出了在集 尘板间引入磁场的创新方法并研究了其对净化效率的影响，并提出引入适当强度的磁 场可提高净化效率，理想的预荷电放电电压为6 k v ( 直流1 ) 。隋建才【17 】等人研究了燃煤锅 炉p m l o 形成与排放特性。 3 河北人学理学硕十学位论文 目前，国内研究者关于促进超细颗粒物凝并的方式的研究方向还有：声凝并、磁 凝并、热凝并、湍流边界层凝并和化学凝并【i 8 j 。 1 2 2 静电除尘研究国外现状 国外的除尘工业起步较早，对除尘器的研究比较深入，采取理论研究结合实验的 方法，取得了非常大的成就。 t i w a r y 、g r o g u s s 、r e e t h o f 1 9 - 2 1 等研究者对于声波团聚理论进行了很深入的研究， 并在实验室进行了相关实验，为声凝聚理论的进步作出了巨大贡献。w i i l i a m 2 2 】等人提 出同极性荷电粉尘在交变电场中浓度随时间衰减计算式，为电凝并理论作出了极大贡 献；而w a t a n n a b e 、h a u t a i l e n 【2 3 1 等人对这种电凝并装置做了较为全面的实验研究。 w a t a b a b e 2 4 1 等人利用实验研究了三区式电凝并除尘装置对微细颗粒物的收集效果，证明 此装置比常规电除尘器的效率有明显提高。c o g h e 、z a m a n k h a n 2 5 2 6 1 等人利用数值模拟的 方法进行了离子荷电粉尘的流体动力学研究。 综上所述，国外在电除尘凝聚机理的研究方面，注重实验研究与理论研究相结合， 对于包括电凝并技术在内的多种凝并技术都有很深入的研究。 1 3 主要研究内容 静电除尘器具有节能、效率稳定、控制先进等优点，但是由于气固两相流在除尘器 管道中的不稳定性，造成了放电系统的多变性。而含尘气流在除尘通道中处于湍流状 态，更加使得气固流的分离具有不确定性【2 7 1 。本文的主要工作如下： 1 、研究了在不同电压情况下，收尘极不同区间对不同粒径粉尘粒子的收集情况。 2 、研究了粉尘粒子进入放电空间后的荷电和运动情况，分析得到使电除尘器能够正 常工作的合适电压值。 3 、研究了荷电粉尘在放电空间运动过程中的凝聚情况，分析了对粒子凝聚作用产生 影响的各种因素。 4 、研究了荷电粒子在放电空间运动过程中电压对凝聚作用的影响，分析了促进荷电 粒子凝聚作用的方法。 1 4 创新点 1 、采用对粉尘收集区进行区间划分，对不同电压情况下，不同收集区间收集的粉尘 分别进行质量测量、粒径分析，使实验更加精确。 4 第1 章绪论 2 、利用激光粒度分布仪对所采集粉尘的粒径分布情况进行分析，所得分析结果更加 准确、可靠。 5 - i - i l 火学理学硕fj 学位论文 第2 章静电除尘基本原理 电除尘器是利用静电力从气流中分离悬浮粒子( 尘粒或液滴) 的装置。电除尘的除 尘效率非常高，可达到9 0 以上。在工作过程中压力损失小，一般在2 0 0 p a - - 3 0 0 p a ，可 以有效的节约电能；理论上可以捕集任何粒径范围的粉尘颗粒物，并能适应高温烟气； 可以一次性处理大量烟气【2 8 1 。正是由于电除尘器具有了诸多的优点，所以广泛应用于各 个工业领域的含尘废气治理、气固分离、粉状物料回收等( 如冶金、有色、电力、化 工、建材行业) 。随着世界各国对污染物排放控制要求的越来越严格，电除尘技术也得 到了长足的发展。 2 1电除尘器的分类和特点 2 9 】 1 按集尘电极的结构形式分类 ( 1 ) 管式电除尘器 集尘极为圆形金属管，电晕线用重锤悬吊在集尘极圆管的中心。优点是电场强度 高且变化均匀。缺点是清灰比较困难。多用于处理含尘气体流量较小或含雾滴的气 体。 ( 2 ) 板式电除尘器 集尘极由多块一定形状的钢板组合而成，电晕线均匀分布在两平行集尘极间。优 点是清灰方便，制作安装较容易。缺点是电场强度变化不均匀。 2 按气流流动方式分类 ( 1 ) 立式电除尘器 一般管式电除尘器为立式电除尘器，含尘气流从下口进入，由上口排出。具有占 地面积小，收尘效率高等优点。 ( 2 ) 卧式电除尘器 含尘气流沿水平方向流过完成除尘过程的电除尘器成为卧式电除尘器。优点是可 实现分电场供电，容易实现对不同粒径粉尘的分离，有利于总收尘效率的提高，操作 维修比较简单。 3 按电极在除尘器内的布置分类 ( 1 ) 单区电除尘器 6 第2 章静【匕除：e 墓本原理 电晕极和收尘极装在同一区域内，颗粒荷电和收集均在这一区域内完成。 ( 2 ) 双区电除尘器 电晕极和收尘极分别装在两个不同的区域内。 4 按清灰方式分类 ( 1 ) 干式电除尘器 在干燥状态下清除集尘极上的粉尘。 ( 2 ) 湿式电除尘器 用水喷淋或用溢流水在集尘极表面形成一层水膜，使沉积在集尘极上的粉尘和水 一起流到除尘器下部排出。 2 2电除尘器的工作原理 各种类型和结构的电除尘器都基于相同的工作原理。即利用直流高压电源( 通常 采用负电压) 产生的强电场使气体电离、产生电晕放电，进而使悬浮颗粒物荷电，在电 场力的作用下，将悬浮尘粒从气体中分离出来并捕集。由此可见，电除尘器的工作原 理涉及电晕放电、气体电离、粒子荷电、荷电粒子的迁移和捕集，以及清灰等复杂而 相互关联的过程【3 0 3 1 1 。图( 2 1 ) 是管式电除尘器的工作原理图。 4 - 电源 图2 1 静电除尘器工作原理示意图 整流器 变压器 2 2 1 气体电离和电晕放电 在电除尘器中，当两电极之间的电压达到一定值时，两电极之间的气体将发生电 离由原来的绝缘状态转变成传导状态，即产生了气体电离。在电除尘器中的电离是在高 7 河北人0 壬理学硕十学侮论文 电压电场作用下的产生的，不需要特殊的外加能量，这种导电差不多全部依靠由气体分 子电离所产生的离子来传送电流。当一个电子从放电极( 阴极) 向收尘极( 阳极) 运动 时，若电场足够大，则电子会被加速，在运动的路径上碰撞气体原子会发生碰撞电离。 和气体原子第一次碰撞引起电离后，就多了一个自由电子，这两个自由电子向收尘极 运动时，又与气体原子碰撞使之电离，于是第二次碰撞后，就变成四个自由电子，这 四个自由电子又与气体原子碰撞使之电离，产生更多更多的自由电子。所以由于碰撞 电离，电子数将雪崩似地增加，这种现象称为电子雪崩。电子雪崩现象使电子数按等 比级数不断增加。 电晕放电是在大气压或高于大气压条件下，电极表面曲率半径很小、放电空间电场 分布不均匀、电极表面附加电场较强时，发生的放电现象【3 2 】。在发生电晕放电的时候， 在放电极周围的电离区内，可以在黑暗中观察到淡蓝色的光点，同时还可以较大的咝咝 声和噼啪的爆裂声。 2 2 2电除尘器的电场理论研究 电除尘器的电场是由两部分组成，即外加电压作用而形成的电场和离子和荷电粉尘 的空间电荷造成的电场。电场不但对所要捕集的粉尘的荷电产生影响，而且也影响已荷 电粉尘上的作用力大小以及荷电粉尘的运动过程。 在电除尘器内，许多因素影响电晕的产生、v - a 特性。开始产生电晕电流时所施加 的电压常称为起始电晕电压【3 3 1 ，在管式放电结构中任一点的电场强度可表示为： 矿 e ( ，) = _ _ ( 2 一1 ) 、7 ，1 1 1 ( 6 口) 其中，一距电晕线中心的距离； 口一电晕线半径； b 一管式电除尘器的半径； v 一施加于放电极和收尘极之间的电压。 起始电晕电压与烟气性质和电极形状、几何尺寸有关系。p e e k 对起晕电场强度进 行了广泛的研究【州，提出如下经验公式以计算起始电晕所需要的电场强度： e c = 3 1 0 6 f ( 8 + o 0 3 x f 万) ( 2 - - 2 ) 其中；万= r o p l t 写为空气的相对密度，其中层= 1 0 a t m ，t o = 2 9 8 k ，和p 分别为操作温 第2 章静电除7 皂基木原理 度和压力；m 为导线光滑修正系数，无量纲，0 5 m o 时，r = d l + d 2 处，n ( d l + d 2 ，d 2 ，t ) = 0 解得单位时间内凝并数为： n = 4 1 ( d l + 攻) ( 4 + d 2 ) 咒l ( 面，t ) n 2 ( d 2 ，t ) ( 2 2 0 ) 式中，z 。( 4 ，t ) 为粒子半径为d 。的计数浓度。 3 粉尘颗粒物粒径分布对凝聚的影响 根据自然凝并理论，凝并速率为： k = x ( d l + d 2 ) ( d l + d 2 ) ( 2 2 0 ) 式中d l 、d 2 一一粒径、d i 、d 2 一一扩散系数 由式2 2 0 可以看出，粉尘粒子在自然凝并过程中与粉尘的粒径大小，扩散系数有 关。同时，可以知道，当两个粒子的粒径大小差别较大时，凝并效果会比较好，尤其是 对于其中一个粒子粒径非常小而另一个相对来说的要大很多的情况。 当粉尘粒子进入电场中荷电完全以后，由于粉尘粒子的外形多为不规则形状，而电 荷在粒子表面的分布和集中情况也是非常不均匀的，所以说不同粒子间必然会存在电位 差，那么对于两个粒径大小差别很大的粒子来说，电位差将会更大。那么在有强电场存 在的情况下，依然是粒径差别较大粒子之间的凝聚作用要大于粒径差别不大或相似的的 粒子。其中，对于粒径在0 1 o 3 9 m 范围内的粒子，由于其内部荷电机制存在局限性， 则在电场中很难被荷电，这个粒径范围内的粒子主要靠无规则的布朗运动过程中与粒径 较大的颗粒碰撞自然黏附完成凝并【3 3 】。 2 5电除尘器除尘效率理论分析及影响因素 2 5 1 多依奇公式 电除尘器的除尘效率与含尘气体流量、粉尘粒子性质、电场强度、气流速度、气体 性质及除尘结构等因素都有关系。如果从理论上准确的推导除尘效率方程是非常困难 的，必须经过一定的假设。多依奇( d e u t s c h ) 于1 9 2 2 年从理论上推导出电除尘器分级 效率公式【3 9 1 ： 第2 章静电除：企摹本原理 对于板式电除尘器，设电晕线和集尘极的间距为s 。，则除尘效率方程为： 7 7 ，一1 - e x p ( _ 南w ，) ( 2 _ 2 1 ) 对于半径为b 的管式电除尘器，除尘效率为： r i ：1 - e x p ( 一竽w i ) ( 2 2 2 ) 式中，l 为电场长度，单位m ；w 为粒子驱进速度，单位r n s 。 在上式推导过程中，作如下基本假设： ( 1 ) 电除尘器中的气流状态为紊流状态，由于其混掺作用，使得通过电除尘器的 任一横断面的粒子浓度和气流分布均匀。 ( 2 ) 进入电除尘器的粒子迅速达到饱和荷电状态。 ( 3 ) 气流的运动对粒子浓度和粒子的驱进速度不产生影响。 ( 4 ) 不考虑电风、二次扬尘、气流分布不均匀、气流旁路等因素的影响。 2 5 2 影响电除尘器除尘效率的因素分析【4 0 】 1 颗粒粒径的影响 由于不同粒径的粒子在电场中的荷电机制的不同导致粒子的驱进速度不同，从而影 响电除尘器的除尘效率。对于粒径大于l z m 的粒子，粒径越小除尘效率越低。而粒径 在0 1 1 z m 范围的粒子，粒子粒径几乎不会对除尘效率产生影响。 2 颗粒比电阻的影响 颗粒比电阻表示颗粒的导电性。比电阻低的粒子易荷电，同时也易放电，而比电阻 高的粒子不易荷电，也不易放电。比电阻定义为l c m 厚，覆盖1 c m 2 的集尘面积的粉尘 层电阻，用p 表示： p ：华 ( 2 2 3 ) d 式中p 粉尘比电阻，单位：q 铡； a 集尘面积，单位：锄2 ； r m 斗均电阻； 万颗粒层厚度，单位：c m 。 由以上分析，如果颗粒比电阻较低，荷电颗粒到达集尘极后会很快放出电荷，并立 1 s 河北人学理学硕f j 学位论文 即因静电感应获得与集尘极同性的正电荷，被集尘极排斥到气流中。从而可以重新荷电， 不断重复此过程，在极板表面就会有很多颗粒被气流带出除尘器。比电阻高的颗粒，达 到集尘极后释放电荷很慢，并且，不是完全释放，颗粒还会残留部分电荷。这样方面 会排斥随后而至的带有同性电荷的颗粒，影响其沉淀；另一方面随着集尘极上颗粒层的 变厚，颗粒层表面和极板之间就会形成一个很大的压降，导致颗粒层空隙中的气体电离， 发生电晕放电。结果使集尘极附近空间产生大量正离子，部分或完全中和颗粒所带负电 荷，导致除尘效率下降。 一般情况下，电除尘器运行最适宜的比电阻范围为1 0 4 2x1 0 1 0 q 册。 此外，颗粒比电阻还与温度、颗粒所含化学成分等因素有关。 3 电除尘器内气流分布状况对除尘效率的影响 电除尘器内气流分布状况非常复杂，主要是由于设备本身的结构问题所造成的， 另外，气流与设备接触面之间的摩擦、气流内部的摩擦、气流方向的改变、气流速度的 突然变化以及设备的严密性差等都是引起气流紊乱的原因。 气流紊乱会造成除尘效率产生的降低，混乱的气流容易引发二次扬尘，处于涡流区 的电极易引起积尘，从而产生不均匀放电，使电除尘器处于非正常的工作状态。所以， 使进入电除尘器内的各电场截面的气流分布均匀对提高除尘效率的非常有效的。 4 除尘器结构对除尘效率的影响 ( 1 ) 比集尘面积a q 的影响 比集尘面积对除尘效率的影响非常明显，比集尘面积较大，颗粒被收集的机会就 会增加，除尘效率就会得到相应的提高。 ( 2 ) 长高比的影响 长高比直接影响清灰过程中二次扬尘的量。 ( 3 ) 极间距的影响 较宽的极问距利于放电极产生的电晕电流在极板上的分布趋于均匀，充分发挥了整 个极板表面的集尘作用，相当于增加了集尘面积，有效的提高了驱进速度。而间距较小 就会缩短粒子被收集的时间，但过短就容易引起二次扬尘。所以，要根据不同的情况确 定合理的极间距。 5 气流速度对除尘效率的影响 首先烟道内的气流速度一般要比电场内的气流速度大很多，速度的迅速转变，会使 1 6 第2 章静电除：卜基本原理 进入电场的烟气产生涡流、紊流。但是除尘空间气流速度太高的话，已收集到集尘极的 粉尘很有可能脱离极板，重新回到气流中，引起二次扬尘。同时，在振打过程中，脱落 的粉尘颗粒也存在被气流带走的可能。所以，确定合理的电除尘器内风速是提高除尘效 率必不可少的条件。一般情况下，断面风速取0 6 , - - , 1 5 m s 比较理想。 6 电除尘器供电质量的影响 电除尘器的供电质量对除尘效率的影响极大，为了获得最高的除尘效率应该时时对 电场施加最高的电压，从而要求供电装置能自动调节输出电压和电流。 2 6 本章小结 本章主要介绍了电除尘器的工作原理、分类，粉尘粒子在电场中的荷电方式、凝并 作用，及影响电除尘器除尘效率的因素。 1 、电除尘器主要包括管式、板式；立式、卧式；单区、双区；干式、湿式等几种 类型。 2 、电除尘器的工作过程主要是电晕放电、粒子荷电，然后利用电场力作用将粉尘 粒子分离出来。 3 、 粉尘荷电方式主要包括电场荷电和扩散荷电以及两种荷电方式共同作用。 4 、对粒子在电场中的凝并作用产生影响的因素主要是静电力，粒子本身的布朗运 动以及粒子粒径大小的差别。 5 、影响电除尘器除尘效率的因素主要有颗粒物的粒径大小、颗粒的比电阻、除尘 器内部气流分布状况、除尘器结构、气流速度以及供电质量等因素。 1 7 河北人学理学硕十学何论文 第3 章粉尘颗粒物的粒径测量理论研究 大气污染控制中所涉及的粉尘颗粒物，一般是指所有大于分子量级的颗粒物，其实 际最小界限为0 0 1 , a m 左右。电除尘所处理的颗粒物的存在状态包括单个分散于气体介 质中和因凝聚等作用造成的粉尘颗粒集合体。 粉尘颗粒的粒径大小不同，其物理、化学特性就会存在差异，对环境的危害也就不 同。同时，对于除尘装置的性能的影响很大。所以对于粉尘颗粒的粒径特性进行研究对 于改进除尘装置的性能有很大关系。 3 1颗粒粒径 对于球形颗粒，粒径等于该球的直径。而对于外形不规则的非球形颗粒一般用三种 方法定义粒径。即投影径，几何当量径和物理当量径【l 】。 1 投影径( 用显微镜法观测颗粒时) ( 1 ) 定向直径d f ，也称非雷特( f e r e t ) 直径。 为各颗粒在投影图上同一方向上的最大投影长度。 ( 2 ) 面积等分直径d m ，也称马丁( m a r t i n ) 直径。 为各颗粒在投影图中按面积二等分的线段长度。通常采用与底边平行的等分线。 ( 3 ) 长径l 。 指颗粒投影面相对两边的两根平行线间的最大距离，即不考虑方向的最大粒径。 ( 4 ) 短径b 。 即不考虑方向的最小距离。 2 几何当量径 ( 1 ) 等投影面积径“，也称黑乌德( h e y w o o d ) 径。 即与颗粒投影面积相等的直径。 ( 2 ) 等体积径d v 。 即与颗粒体积相等的球形颗粒的直径。 3 物理当量径 ( 1 ) 斯托克斯( s t o k e s ) 直径d s 。 为在同一流体中与颗粒的沉降速度相等的单位密度的圆球的直径。 1 r 第3 章粉尘颗粒物的粒释测鼙理论形l 究 ( 2 ) 空气动力学当量直径d 。 为在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度的圆球的直径。 3 2 粒径分布 粒径分布是指不同粒径范围内的颗粒的个数所占的比例。以粉尘颗粒的个数来表 示所占的比例时，称为个数分布；以粉尘颗粒的质量表示时，称为质量分布【2 2 吼3 1 1 。 3 2 1频率分布 ( 1 ) 粉尘粒子的频率分布( 或称频数分布) a d ( 呦。 指粒径在d p 至d p + d p 之间的粉尘质量( 或个数) ，占粉尘试样总质量( 或总个 数) 的百分数。以质量表示频率分布时，则： d ：鲤1 0 0 ( 3 1 ) m o 一 。a d = 1 0 0 一 以个数表示时，为第f 间隔中的颗粒个数碍与颗粒总数吩之比，即： z2 轰 - 2 ) 并有 z = i ( 2 ) 频率密度分布f ( 岬。1 ) 。 简称频度分布，是指某单位粉尘粒径间隔宽度时的频度分布，即粒径宽度ad p 在 1 岬时尘样质量占尘样总质量的百分数，计算公式为： f ( d p ) = 罟 ( 3 q ) ( 3 ) 个数频率分布r ( ) 。 简称个数累积分布，是指大于某一粒径d p 的所有粒子的质量占粉尘试样总质量的 百分数，计算公式为： r = 荨凹= 萼出卜p = 荨倒， ( 3 叫 或 河北人学理学硕十学何论文 r = 触2 p ，d d p ( 卜5 ) ( 4 ) 个数累积频率分布d ( ) 。 简称个数累积分布，是指小于某一粒径d p 的所有粒子的质量占粉尘试样总质量的百 分数，计算公式为： 。= 耄衄= 粪峨 m c3 州 或 d = 倒p = j ，9 剐p ( 3 - - 7 ) 筛上累积频率分布r ( ) 和筛下累积频率分布d ( ) 有如下的关系： r + d = 1 0 0( 3 8 ) 3 2 2 平均粒径 颗粒群的平均粒径可以简明的表示粉尘颗粒群的某一物理特性和平均尺寸的大 小。 ( i ) 算术平均粒径，即单一粉尘颗粒物的粒径算术平均值。 d = 甩，d z i 玎 ( 3 9 ) ( 2 ) 面积长度平均粒径，h i t 全部粉尘颗粒物的表面积总和除以全部直径的总和。 d = g ，珊( 咒，盔 ( 3 一l o ) ( 3 ) 体面积平均粒径，即全部粉尘粒子的体积和除以总表面积。 d = 0 ；珊( 刀，d ；z ( 3 一1 1 ) ( 4 ) 质量平均粒径，即全部粒子的总质量除以总的粒子个数。 d = g ；础( ，z ，d ? ( 3 一1 2 ) ( 5 ) 表面积平均粒径，即按表面积计算的平均粒径。 d = 区) g ；) l 坨 ( 3 - 1 3 ) ( 6 )比表面积粒径，即由比表面积求得的粒径。 d 2 6 ( 印p ) ( 3 1 4 ) 第3 章粉尘颗粒物的粒径测苗理论研究 式中d 一颗粒群的平均粒径；盔一任一尘粒的粒径；一相应于面的尘粒数目；尸。一尘粒密 3 2 3 粒径分布函数 常用的粉尘粒径分布函数有：正态分布函数、对数正态分布函数、罗辛一拉姆勒 ( r o s i n r a m m l e r ) 分布函数等。 即高斯( g a u s s ) 分布，粉尘颗粒粒径的正态分布是相对于频度最大的粒径呈对称分 布，其函数形式为： 川= 老柏学 2 卅 式中 五粒径的算术平均值； 正态分布的频度分布曲线是关于算术平均粒径瓦的对称性正态曲线。 ( 2 ) 对数正态分布 实际上，粉尘颗粒的粒径分布很少呈正态分布，多数是呈偏态分布的。若横坐标 用对数坐标( i n d 。) 代替，可以转化为近似正态分布的对称性曲线。所形成的对数正态 分布函数为式： 斛o n d p 巧1 0 0 水( 舒) 2 沪 式中 以几何平均粒径，可以用中位径代替，即以2 d 5 0 万。几何标推偏差，计算式为： = 舞黑 _